激光雷达主动测速研究具有极大的需求。远距离及环境影响导致主动探测回波信号很弱且测速精度变差。本论文针对光子级测速重大需求开展了光子外差测速精度提升的研究。本论文首先介绍了光子外差探测系统的国内外研究现状以及测速精度提升的国内外现状。随后介绍了光子外差测速的基本工作原理。本文开展了大气湍流及散射,外差效率以及光子计数统计对光子外差探测系统影响的理论研究,并推导出了响应的理论公式。接着我们在理论推导的基础之上,通过随机相位屏法,蒙特卡罗法完成了大气湍流以及散射的仿真研究,同时我们也开展了外差效率以及光子计数统计对光子外差测速精度影响的仿真研究。接着我们开展了测速精度提升的研究,通过算法补偿技术提升了大气湍流影响下的测速精度,通过偏振光子外差探测系统提高了大气散射退偏时的测速精度,并通过偏振光子外差探测系统以及艾里斑系统提升了外差效率以及测速精度,通过符合计数的方法提升了光子计数统计下的测速精度。最后我们对光子外差测速范围的影响因素也展开了研究,主要针对探测器死时间以及激光源的相干长度因素进行了理论与仿真研究。测速精度的提升对后续光子微动测量以及光子外差微动成像奠定了基础,对精准实现目标识别具有重要意义。