本发明公开一种水下目标瞬时频率和方位角高精度联合估计方法和系统，所述方法包括：获取水下目标探测阵列接收的目标信号，以构建时空二维数组；对所述时空二维数组进行处理得到时空相位函数；建立目标信号的时域模型和空域模型，所述时域模型和空域模型分别用于描述目标信号的时频特性和空间传播特性；对所述时空相位函数按照所述目标信号的时域模型进行分析，以估计目标信号的瞬时频率；对所述时空相位函数按照所述目标信号的空域模型进行分析，以估计目标信号的瞬时方位角。本发明有效提升提高复杂环境下微弱目标信号的时空参数估计精度，具有出色的非平稳信号分析能力，具备自适应性，可应用于多目标同时探测。