本发明公开了一种基于多级处理的主瓣侦察信号分离方法，首先获取天线阵列的接收信号，并计算接收信号的协方差矩阵。然后对接收信号的协方差矩阵进行特征分解，得到对角矩阵和特征向量构成矩阵。选择大特征值对应的特征向量作为信号子空间，在波束主瓣范围内利用多重信号分类方法搜索谱峰，得到主瓣侦察信号的来波方向，构造干扰信号和目标信号的导向矢量。利用时域对消的方法依次消除各个阵元接收信号中的干扰信号。以目标信号导向矢量和干扰信号导向矢量的差值作为新的导向矢量，通过波束形成得到该侦察信号，通过多次处理可以实现侦察信号分离。本发明能够有效识别并分离主瓣侦察信号。