本发明公开了一种基于时频分析的复合调制解调方法，属于动态光路测量技术领域。包括以下步骤：步骤1、采集双运动目标在不同运动状态下的干涉信号，对采集得到的干涉信号进行时频分析，提取出被复合调制的瞬时频率；步骤2、建立不同运动状态的状态空间模型，将被复合调制的瞬时频率作为观测值输入，输出迭代递推的估计结果，并对估计结果自动进行权重分配，实现双运动目标在不同运动模式的动态测量。本发明所述基于时频分析的复合调制解调方法，在不同的频率下均可实现对动态目标的高跟踪性能，同时不增加系统复杂程度和成本，并且具备自适应识别双目标不同运动状态的能力。解决了不同运动模式下，双运动目标的动态光路的准确跟踪测量。