激光外差探测是一种可以获得目标方位、距离、强度和速度信息的多维探测手段，在目标识别领域有着重要的应用。传统的激光外差探测采用的线性APD探测器收到灵敏度的限制，在超远距离探测和极微弱信号探测领域无法正常工作。光子外差探测是将外差探测技术与光子计数计时相结合的全新探测技术，通过采用具有单光子探测能力的Gm-APD作为探测器，极大提升了光子外差探测的灵敏度，但是也带来了诸如本振光过强将淹没掉本振光与回波差频的中频信号等一些列问题。因此，本论文围绕光子外差的探测精度这一重要指标，研究影响光子外差探测精度的影响因素，并寻求提升光子外差探测精度的方法和手段。光子外差探测技术比直接探测方法的数量级高很多，分辨率更高，而且因为光子外差探测技术可以实现对于弱至光子量级的回波信号进行检测，因此大大提高了探测系统的作用距离。　　本文首先研究了光子外差探测的物理机理，从激光外差探测理论和光子计数理论出发，建立了光子外差探测的物理模型，进而对光子外差探测过程进行数学仿真。分析了光子外差探测过程中信号光子的时间分布规律，光子外差探测结果与传统外差中频信号的映射规律，为光子外差信号的频谱信号提取奠定了理论基础。　　围绕光子外差信号的频谱解析开展研究，以信噪比为评判标准，对光子外差系统的系统参数开展分析工作，重点研究了本振光对信噪比的影响规律。研究了傅里叶变换法、光子到达时间间隔法、窗口分割法等三种光子外差信号频谱解析的方法，提出将光子计数器输出的数字信号转变为传统外差中频信号的处理方法，使后续的信号处理能够大大的提升探测精度。　　利用优化后的频谱解析方法可以获得线宽较小的光子时间分布的功率谱密度，完成了光子外差探测系统光子计数率的分析，完成了光子外差探测系统功率谱密度分析，得到了最优化探测实验的重要条件，提高系统的信噪比。通过优化本振光强和信号处理的方法获得高信噪比、窄线宽的功率谱密度进而提升系统的探测精度，确定了本振光强为信号光强的4倍。　　最后针对光子外差探测系统进行了实验研究，设计了验证实验光路，从实验上验证了之前所提出的频谱解析方法的有效性，验证了本振光强对光子外差探测精度的影响规律，根据验证结果对光子外差探测系统进行了参数优化。测量得到匀速运动目标的速度为1.0622m/s，测速误差为0.005m/s。变速目标的速度由1.0622m/s变到1.5940m/s。实验结果表明,对于匀变速运动目标的光子外差探测结果测速误差与匀速目标一致。