本发明属于声学信号处理和水下目标探测时延估计技术领域，具体地说，涉及一种基于稀疏学习的超分辨时延估计方法，该方法包括：对目标海域进行空间网格划分，形成若干网格；声呐在某时刻发射信号，发射信号经过不同的路径抵达接收机，由接收机接收发射信号，得到接收信号；对接收信号进行匹配滤波器后，输出滤波信号，并基于稀疏学习，对滤波信号改写为稀疏表达式；再利用稀疏性，采用最大似然方法，对稀疏表达式进行优化，得到优化模型；再利用贝叶斯准则估计路径数目并采用加权傅里叶变换松弛法，对优化模型进行求解，得到时延估计和振幅向量估计。