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本发明公开了一种underlay频谱共享下时频重叠MASK信号的载频估计方法,包括:对接收到的时频重叠MASK信号计算循环双谱的对角切片谱,并截取f=0截面;利用基于L0范数最小化的优化算法对谱线消噪和增强;对谱线分段加窗并设定局部阈值,且仅保留大于阈值的离散谱线;计算每个窗内谱线的强度均值比,并搜索每个窗内谱线的强度均值比的局部最大值,统计局部最大值并按大小进行排序;根据时频重叠信号分量的个数,按大小顺序取得局部最大值所对应的频率分别就为时频重叠MASK信号的载波频率。本发明在低信噪比环境下具有良好的估计性能;对于任意两个信号重叠或三个信号重叠的情况,当信噪大于5dB时,载波频率的估计性能较好。