本发明属于声学信号处理和水下目标探测时延和多普勒频率估计技术领域，具体地说，涉及一种基于二维离网稀疏学习的时延多普勒频率联合估计方法，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，发射信号经过多个目标反射后抵达接收机，由接收机接收发射信号，得到接收信号；基于稀疏学习，将接收信号改写为稀疏表达式，进而得到稀疏模型；利用稀疏性，采用最大似然方法，对稀疏模型进行优化，得到优化模型；再利用贝叶斯准则估计路径数目，并采用最大‑最小优化方法，对优化模型进行进一步优化，得到中间优化模型，再采用循环优化方法，对中间优化模型进行求解，得到更精确的时延估计和多普勒频率估计。