Plusieurs systèmes de télédétection multispectraux (SMS) captent la radiation infrarouge (ou thermique) ainsi que le visible et l'infrarouge réfléchi. Cependant, la détection de l'énergie infrarouge émise par la Terre (entre 3 et 15 microns) demande une technique différente de la technique utilisée pour capter l'énergie infrarouge réfléchie. Les capteurs infrarouge thermique (ou capteurs thermiques) utilisent des photodétecteurs dont la surface est sensible au contact des photons infrarouges émis par la Terre. Ces détecteurs sont refroidis à des températures très basses (près du zéro absolu), de façon à limiter leur propre émission d'infrarouge thermique. Les capteurs thermiques mesurent essentiellement la température de surface et les propriétés thermiques de la cible.

Les systèmes de détection thermique sont des capteurs à balayage perpendiculaire à la trajectoire, comme ceux décrits à la section précédente, qui captent la radiation émise dans la portion infrarouge thermique du spectre d'énergie. Ces systèmes utilisent une ou plusieurs références internes de température pour étalonner la radiation détectée. De cette façon, les capteurs thermiques peuvent déterminer la température absolue de la radiation captée. Les données sont généralement enregistrées sur pellicules photographiques ou sur rubans magnétiques. La résolution en température des capteurs les plus communs peut atteindre 0,1°C. Afin d'analyser une image de température radiative relative (un thermogramme), on affiche en différents niveaux de gris, les températures chaudes en tons pâles, et les températures froides en tons foncés. Les images qui montrent les différences de température relative pour chacun des pixels sont suffisantes pour la plupart des besoins. La température absolue peut être calculée, mais demande un étalonnage précis, une mesure de température de référence et une connaissance approfondie des propriétés thermiques des cibles, de la distorsion géométrique et des effets radiométriques.

Les longueurs d'onde de la radiation infrarouge thermique sont relativement Grandes par rapport aux les longueurs d'onde de la partie visible du spectre. Les effets de la diffusion atmosphérique sont donc minimaux. Cependant, l'absorption de cette radiation par les gaz atmosphériques restreint normalement la détection utilisant ces longueurs d'onde à deux régions : la première de 3 à 5 microns, et la deuxième de 8 à 14 microns. Les capteurs d'infrarouge thermique ont généralement un CVI large afin de permettre à une quantité d'énergie suffisante d'atteindre le capteur. Cette précaution est nécessaire car la quantité d'énergie décroît avec l'augmentation de la longueur d'onde. La résolution spatiale des capteurs d'infrarouge est habituellement assez grossière comparativement à la résolution spatiale qu'il est possible d'atteindre dans le visible et l'infrarouge réfléchi. Les images provenant d'un capteur thermique sont prises durant le jour ou la nuit (parce que la radiation est émise et non réfléchie) et sont utilisées dans plusieurs domaines comme la reconnaissance militaire, la gestion des désastres (détection des feux de forêts) et la détection de fuites de chaleur.

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