本发明适用于混凝土结构检测技术领域，提供了一种多层混凝土结构薄层缺陷厚度检测方法，包括：获取回波信号，其中，回波信号为探地雷达对混凝土结构进行探测返回的信号；利用分数阶S变换对回波信号进行预处理，以强化回波信号中对应于薄层缺陷的信号特征；基于预处理后的回波信号生成灰度图像；将灰度图像输入训练好的厚度识别模型，得到混凝土结构中薄层缺陷的厚度信息。本发明中对回波信号进行特征强化处理，可以提高对薄层缺陷厚度信息检测的精确度，通过厚度识别模型获取薄层缺陷的厚度信息，可以确定多个因素导致的薄层缺陷的厚度信息。