本发明公开了一种时间相关单光子计数的尾流探测装置及其运行方法，属于激光水下尾流目标探测领域。包括激光发射组件、激光接收组件和信息处理组件，激光发射组件和激光接收组件均与信息处理组件电连接，其中，激光发射组件，用于向尾流中的气泡照射激光，并同步向信息处理组件传递起始电信号；激光接收组件，用于接收由尾流中的气泡反射出的反射光，并同步向信息处理组件传递终止电信号；信息处理组件，用于接收激光发射组件传来的起始电信号和激光接收组件传来的终止电信号，完成光子飞行时间间隔测量和时间相关单光子计数器分析，最后计算得到目标距离。本发明可实现水下微弱尾流回波信号的探测，克服传统技术存在的灵敏度低的技术限制。