针对吸收和散射衰减导致光子在水下运动时具有复杂性的问题，基于追踪的水下单光子运动状态，建立了光子时空随机信道模型。针对不同的水质类型、链路距离、接收孔径、发射角和视场角，统计了接收端到达光子的相关信息，研究了基于水下单光子通信系统的光接收强度和信道脉冲响应的影响因素。同时，综合考虑光子发射情况、水下光子运动过程、探测器特性和同步信号提取方法等，采用了一种基于时隙内光子计数的数据解调方案，并对系统性能进行分析。仿真实验结果表明：发射角和接收孔径是影响时延展宽的主要因素；接收孔径越大，系统误码率（BER）越小；而链路距离和发射角越大，系统BER越大；噪声系数越大，系统BER越大，且建模的理论通信距离约为185 m。实验结果很好地描述了水下光子散射特性和脉冲时延展宽特性。