本发明公开一种基于里德堡原子雷达的水下声学信号探测方法，利用多频段微波源向水面发射微波信号，各频段微波信号感受到水面的起伏并产生反射回波，利用里德堡原子天线阵列对各频段微波信号的反射回波进行一次接收，根据微多普勒效应反演水面起伏信号并通过高通滤波拟合出声致分量。本发明通过里德堡原子在高灵敏度电磁信号感知、超宽带多频段并行信号探测等方面的能力优势对传统雷达进行了性能升级，使其满足微多普勒水面起伏测量需求；同时，鉴于水声信号的工作频率比水面波浪起伏频率大，利用高通滤波器可以将高频有效信息从低频强背景噪声中提取出来，为水下勘探、水文测量、潜水搜救等提供一种全新的、可行的、性能升级的水声信号探测手段。