本发明公开了一种基于稀疏时延的超表面阵列信号频率和波达方向估计方法，主要解决超宽带信号条件下，频率和波达方向角同时估计成本高且精度低的问题。其实现方案为：构建超表面阵列，并对接收信号进行空时编码；对编码后的信号进行满足嵌套数列的时间延迟，并通过Q次嵌套时间延迟增加时延次数，经采样后获取总共QN次时延的输出信号；根据输出信号得到频率求解矩阵，对其进行分解获得特征值，以计算接收信号的频率；根据编码后的信号构建方向向量矩阵，利用频率和方向向量矩阵获得角度求解矩阵，并对其进行特征值分解求解特征值，以计算信号波达角度。本发明增加了欠采样模型时延次数，提高了对信号频率和波达方向角同时估计的精度，可用于超宽带信号侦察处理。