本发明公开了一种航天材料损伤检测图像多目标全像素分割方法，包括：提取出每类缺陷的典型瞬态热响应；获得红外重构图像；多目标优化算法结合分割模型对红外重构图像进行背景区域和缺陷区域的分离；在噪声去除、保留细节及保持边缘三种目的指导下构建红外图像分割函数；多目标优化算法结合分割模型对缺陷实现一次性分割；根据欧氏距离来定义稀疏度水平大小，基于稀疏度水平大的个体调整权重向量；得到红外检测图像中损伤缺陷的分割图像。本发明利用主要特征对红外热图像序列进行重构，获得缺陷的红外重构图像，反映出试件的缺陷特征。对红外重构图像进行目标分割获得的结果图像既能实现噪声消除又能保证细节保留，边缘保持提高了图像分割的精度。