本发明提出了一种基于信号分解与稀疏重构的混合信号分离方法及装置，所述方法包括如下步骤：在已知混合信号中信源数目和各组成信号瞬时频率的条件下，对各组成信号进行傅里叶分解，获得各组成信号分解的系数；基于组成信号的分解系数和接收信号，建立接收信号的观测模型；基于接收信号的观测模型，将信号分离问题转化成为一个稀疏优化问题，建立稀疏优化目标函数；基于稀疏重构算法求解上述稀疏优化问题，实现对各组成信号分解系数的重构，在此基础上获得分离后各组成信号的时域信号。本发明方法能够实现雷达、通信等信号在空、时、频三域均存在混叠情况下的有效分离。