本发明公开了一种基于稀疏特征相似性的连轧机振动信号分离方法。该方法为:在连轧机的旋转部件敏感处表面一个或多个不同位置布置加速度传感器，采集各振源工作时的振动信号即观测信号；通过基于时频谱分割的稀疏特征提取方法，获取各路采集的振动信号在最佳原子集合下的稀疏表示；再通过结构相似性对所有稀疏表示提取的原子进行聚类，估算出振源的个数，并采用各聚类中心对应的原子更新稀疏表示结果；最后，通过新的稀疏表示结果对应的聚类系数，估算出混合矩阵，进而计算出各振源的独立信号，实现连轧机振动信号的分离。该方法可有效滤除连轧机在运行过程中的干扰噪声，提高稀疏特征提取的精度，能更精确地估算振源个数及混合矩阵。