本发明涉及一种基于尺度空间和改进稀疏表示的齿轮箱故障特征提取方法，包括：对原始信号使用尺度空间根据频带划分为若干以齿轮的各阶啮合频率为中心的频段分量信号；为频段分量信号构造无噪声DCT字典；构建用于对频段分量信号进行稀疏分解的观测字典，包括基于奇异值分解算法在正交匹配追踪算法迭代过程中向无噪声DCT字典的原子中添加噪声信号获得含噪声DCT字典；以最小方差和内积的融合指标为准则选取观测字典中的最优原子；基于正交匹配追踪算法利用观测字典对频段分量信号进行稀疏重构；解调谱分析然后提取齿轮箱故障特征频率。本发明用于提取齿轮箱故障特征，较其他方法具有更高的时频分辨率和重构精度。