本发明公开了一种MIMO-OFDM水声通信系统的多普勒估计方法,包括如下步骤:对接收端接收到的稀疏信号以抽样间隔进行采样,得到稀疏向量y;由接收双方都已知的同步导频信号s(t)结合信道特点,选取合适精度,构造超完备字典;在一个周期内对所有抽样值累积得:y=Cx+n,接收向量看作以x元素为系数的C各列的线性组合;由超完备字典C、接收稀疏向量y,利用SBL算法,重构信号x;找到x中非零元素所对应超完备字典C中的相应列,继而找到各径所对应的等价多普勒因子。本发明不仅大大提高了MIMO-OFDM水声多普勒因子的估计精度,而且针对常规多普勒扩展也提出了新的解决方法。