本发明属于高频地波雷达信号处理技术领域，公开了一种高频地波雷达极化波达方向估计方法、系统及应用。该方法包括：利用高频地波雷达强弱信号时频交叉项包含弱目标信息且不易被淹没在时频噪声中的特点，构建基于交叉项的极化空时频分布矩阵代替超分辨算法中的数据协方差矩阵，将得到的相关信息进行交互处理，以及进行非平稳强信号干扰背景下弱目标信号极化波达方向估计。现有技术对非平稳弱信号波达方向估计成功较低并且误差较大，本发明提出的算法利用时频分析交叉项提升了低信噪比时成功率40％左右，减小估计误差1度左右。