导读

水下光通信具有高带宽、低时延和较强空间指向性，在海洋观测、无人潜航器协同、海洋信息传输等方向具有重要应用价值。但在真实水体中，悬浮颗粒、散射、湍流和传播衰减均会持续削弱接收信号，尤其是在低光子数、动态浑浊和长距离条件下，通信系统还需兼顾信息提取效率、传输稳定性与物理层安全。

如何降低光子受限条件下的解码负担，并同时提升复杂水体环境中的通信可靠性与信息安全性，已成为水下光通信进一步走向实际应用时需要重点解决的问题。

近日，太原理工大学、山西大学等单位研究团队在50米循环水槽中完成了图像与音频传输实验，研究提出一种面向水下光通信的光子级无图像光学加密方案，将二维空间编码、双通道叠加与神经网络直接解码相结合，从单光子测量数据中提取通信信息。相关成果于2026年发表于《Photonics Research》。

空间编码与双通道叠加丨构建加密框架

论文构建了由空间加密编码与双通道信号叠加组成的双层物理加密框架。发送端将原始信息与密钥转换为二进制序列，经异或运算生成密文，再按螺旋规则映射为二维编码图案（2D-code），同时加入位置编码，用于接收端完成定位和数据恢复。

空间编码与双通道传输原理 / 图源：Liu et al., Photonics Research, 2026, Fig. 1

实验采用两路450nm脉冲激光，重复频率分别为7MHz和8MHz，脉宽均为10ns。两组2D-code被分别加载至DMD的独立调制区域，对两路光信号进行空间编码；调制光经过后续光学系统叠加后，以共光路形式进入水下传输链路。这一设计将数字密文转换为空间光场分布，同时结合密钥加密与双通道叠加，形成多层信息保护机制。 

实验光路与器件作用 / 图源：Liu et al., Photonics Research, 2026, Fig. 3

无图像直接编码丨简化信息提取流程

传统单像素成像通常需要先根据测量值重建二维图像，再进行编码定位和信息识别。研究团队设计二维编码提取网络（2DCE-Net），直接以测量数据为输入，完成动态自适应重建、角点定位、透视裁剪和精细特征重建，输出密文比特，再结合密钥恢复明文。该设计能够在长距离水下通信下稳健地解码二维码，有效适应尺度变化、透视畸变和远程空间衍射效应。

物理启发设计丨改善低光子编码识别

为提高低光子、散射环境下二维编码特征的提取稳定性，2DCE-Net针对水下船舶中的典型影响设置了三个物理启发分支，衍射分支用7×7卷积学习空间扩散与模糊特征；波动分支用3×3卷积抑制高频噪声和光强涨落；散射分支用1×1卷积结合注意力机制，提高有效编码结构的特征权重。三个分支通过可学习参数进行自适应融合，在特征域中增强有效信息、抑制噪声干扰。

2DCE-Net直接解码网络 / 图源：Liu et al., Photonics Research, 2026, Fig. 2

测试结果进一步量化了各分支的作用：衍射和散射分支使编码特征能量的相对集中度平均提高3.82%和5.39%，波动分支则使噪声扰动引起的特征方差平均降低60.88%。

动态混浊实验丨验证解码优势

在动态浑浊、尺度变化以及旋转和平移等扰动条件下，2DCE-Net均表现出较好的解码稳定性。随着水体浑浊度升高，差分鬼成像（DGI）的重建图案逐渐模糊、噪声增加，相比DGI重建后直接进行信息映射的方法，2DCE-Net在不同浑浊度、尺度及位移旋转条件下均获得更低的误码率（BER）。在较高压缩比下，其解码速度也更快，体现出无图像直接解码在准确性和处理效率上的优势。

1米水槽中的环境适应性与解码对比 / 图源：Liu et al., Photonics Research, 2026, Fig. 4

50米水下实验丨完成图像与音频传输

研究进一步将实验扩展至 50 米动态水下链路，对图像与音频信息传输进行验证。针对长距离条件下收发端未直接同步的问题，系统通过插入全黑图案完成数据流分割与编码帧对齐，为连续信息传输提供时间校准。

50 m水下通信实验系统及收发端光路 / 图源：Liu et al., Photonics Research, 2026, Fig. 9

图像传输实验中，系统共传输8幅128×128像素、24 bit位深图像。随着压缩比（CR）提高，恢复图像中的随机噪声逐渐减少，重建质量持续改善。当CR达到 5×10⁻³ 时，平均峰值信噪比（PSNR）达到 41.50 dB，平均结构相似性指数（SSIM）达到 0.9947，误码率（BER）降至约 3.15×10⁻³。上述恢复结果均由2DCE-Net直接输出，未经过额外去噪或图像增强处理；测试范围内网络解码时间始终低于 0.355 ms。

50米水下场景中的图像传输结果 / 图源：Liu et al., Photonics Research, 2026, Fig. 5

音频传输进一步验证了系统在连续动态信息通信中的性能。 实验采用6 kHz采样率和8 bit量化深度，两路通道共传输2,126,600 bit数据。当CR提高至 5×10⁻³ 时，50 m水下传输的BER达到 10⁻⁵量级，音频波形PSNR达到 44.97 dB，对应通信速率为 7.85×10³ bit/s。实验结果显示，增加测量次数能够进一步降低误码率并提高信息恢复质量，同时会相应降低有效通信速率，体现出系统在传输可靠性与通信速率之间的性能权衡。

50米水下场景中的音频传输结果 / 图源：Liu et al., Photonics Research, 2026, Fig. 6

实验平台丨HDSLM136D70-DDR

论文实验采用UPOLabs HDSLM136D70-DDR数字微镜器件（DMD），分辨率为1024×768，可设置 1-16bit 灰度等级，是UPOLabs 产品中帧率突出的一款空间光调制器，适用于工业、医疗和高级显示应用领域。

UPOLabs HDSLM136D70-DDR

在本次实验中，HDSLM136D70-DDR分别承担发送端空间编码与接收端测量调制，为研究团队加载加密图案、构建双通道传输光路提供器件支持。

HDSLM136D70-DDR 产品参数

结语

本次研究提出了基于空间二维码调制和光子级单像素成像的高效且安全的光通信系统。结果表明，该方法在光子匮乏、强烈噪声和动态浑浊水下环境下，能够保持高识别精度和稳定性，这些结果凸显了该方法在高速安全光通信方面的高效、可扩展性和强大应用潜力。

本文内容依据论文《Photon-level image-free optical encryption for  robust under water optical communication》公开发表信息整理。文中涉及UPOLabs产品的描述仅限于论文公开披露的实验平台配置，不代表论文作者对相关产品进行性能排名或商业推荐。

原文地址：https://doi.org/10.1364/PRJ.600378

本文转载自UPOLabs微信公众号