本发明公开了一种超高速目标回波信号处理方法、系统和装置，属于信号处理技术领域。本发明的方法包括：将高速目标可能的径向运动速度区间划分为多个速度档，在每一速度档中，构造相应的参考信号；将脉内运动模型的目标回波的距离维频谱与所述参考信号的共轭进行相乘，得到频域脉冲压缩结果：通过参考信号与回波信号匹配；构造徙动相位补偿函数：构造徙动相位补偿函数，进行慢时间维相位补偿；对经过徙动相位补偿的回波信号进行距离维IFFT处理；对距离维IFFT的输出信号进行MTD处理。本发明能很好地解决了高速目标回波的距离徙动问题和回波尺度变换导致的失配滤波，从而更加精确地估计出了目标速度和距离信息。