针对在远距离激光微多普勒探测领域中对于高精度探测的迫切需求。本论文通过对光子外差微多普勒探测的探测机理进行创新性研究,提出基于光子外差的微多普勒探测系统,填补了微弱光信号的微多普勒探测技术空白。本文首先对光子外差和微多普勒探测的国内外研究现状进行了分析和归纳。对光子外差探测系统的机理进行了研究,对光子外差探测系统的工作原理、系统构成、响应模型、传输机理以及频谱提取方法进行了概述。针对目标的微多普勒信息的探测及分析进行了研究,给出了光子外差微多普勒的建模方案和基本模型,通过对进动目标的信号模型的分析,将信号分解为匀速、振动和匀变速三种基本运动所产生的微多普勒信号的叠加。研究了光子外差的多普勒信息提取方法,进行了光子外差探测多普勒的方案设计,对光子级信号和本振光的作用过程进行了理论分析,在此基础上对作用过程进行了简化模型并进行了仿真研究。在此基础上进行了光子外差微多普勒信息提取的研究,论证了光子外差对目标的微多普勒信息的提取方案,并进行了相应的仿真与分析。开展了光子外差微多普勒测量的实验研究,设计并搭建了本论文提出的光子外差探测简化模型验证实验系统,验证了本振光强相对信号光强度为1时系统的频率探测率最高,验证了多普勒频谱展宽与信号强度成反比,验证了信号相对标准差与总探测数的倒数成正比。进行了光子外差微多普勒探测的实验研究,对光子外差微多普勒探测系统的器件参数进行了选取,通过光子外差微多普勒探测系统对匀变速转动的转动速度进行探测,获取了相应的时频图并估算出目标的转动速度加速度为6.34 rad/s~2。