本发明公开了一种耦合红外热像的复合材料分层缺陷微波检测方法，利用图像增强算法处理初始红外图像序列数据，提高缺陷与非缺陷区域的对比度，获取增强去噪后的红外图像序列，从中序列中得出三维温度矩阵；基于微波检测法所得出的新缺陷深度矩阵建立三维传热仿真的几何模型，以红外检测时的热流密度、环境温度以及其他相关参数，作为三维传热模拟的边界条件，得到表面模拟温度矩阵；比较实测温度矩阵与模拟温度矩阵在缺陷边缘所在范围内的平均误差是否小于给定误差，实现缺陷检测。本发明利用红外热像的温度数据修正微波检测的缺陷边缘，可以用于检测出复合材料内部缺陷的精确轮廓和位置，在一定程度上解决微波检测方法对于缺陷轮廓识别不准确的问题。