物质只要温度高于绝对零度就会向外发射电磁辐射，地球表层的地物和大气的温度相比太阳光球层要低得多，所以地球表层的自身发射辐射主要集中在相对可见光波长较长的热红外谱段。在大气透过率较高的热红外大气窗口谱段，热红外遥感载荷能够探测陆地和海洋的温度和发射率（又称比辐射率），进而对地物类型和环境状况进行判识；在大气透过率低的非窗口谱段，热红外遥感载荷能够探测大气垂直温度分布、吸收气体含量及其垂直分布。

热红外遥感载荷通常由扫描镜（或指向镜）、光学系统、探测器、信息处理器、系统控制器、定标黑体、致冷系统等部件组成，为保证采集数据的高信噪比，一般都需要稳定的低温环境。考虑到响应速度和灵敏度，热红外遥感载荷一般采用碲镉汞红外探测器或砷化镓/砷化镓铝量子阱红外探测器。

热红外遥感载荷按照搭载平台可分为机载热红外遥感载荷和星载热红外遥感载荷；按照探测谱段可分为中红外遥感载荷（3～8微米）、长波红外遥感载荷（8～14微米）和远红外遥感载荷（14～1000微米）；按照探测波段数目可分为热红外宽波段遥感载荷、热红外多光谱遥感载荷和热红外高光谱遥感载荷。成像式高光谱载荷（又称成像光谱仪）能够同时获得目标区域的二维空间图像和每个像元的精细光谱曲线，在各种地物目标识别中有广泛的应用；非成像式高光谱载荷一般用作大气探测仪，可以达到非常高的光谱分辨率。高光谱载荷依其光谱维获取机制的不同又分为色散型高光谱载荷和干涉型高光谱载荷。

1979年，搭载高级甚高分辨率辐射计（AVHRR）的美国极轨气象卫星NOAA-6发射升空，该载荷配置有一个中红外波段和两个相邻的长波红外波段，其大幅宽则有利于获得宏观同步信息和实现多时相动态观测。1995年欧空局发射的ERS-2卫星上搭载了多角度遥感器顺轨扫描辐射计（ATSR-2），其波段设置与AVHRR相似，且有两个不同的观测角度（0°和55°）。1999年美国发射了地球观测系统的TERRA卫星，搭载了具有热红外波段的中分辨率成像光谱仪（MODIS）和先进型星载热发射与反射辐射计（ASTER），其中ASTER是第一台用于制图和和温度精确测量的星载高空间分辨率多波段热红外成像仪，拥有5个热红外波段。美国1986年合1997年发射的Landsat-5和Landsat-7卫星上分别搭载了专题制图仪（TM）和增强型专题制图仪（ETM+），它们的热红外波段也具有较高的空间分辨率（分别为120米和60米）。

中国1999年发射的CBERS-01卫星上搭载的红外多光谱扫描仪（IRMSS）拥有一个长波红外波段。2002年发射的HY-1A卫星上搭载的海洋水色扫描仪（COCTS）拥有两个相邻的长波红外波段。2008年发射的HJ-1B卫星上搭载的红外相机（IRS）拥有一个中红外波段和一个长波红外波段。2008年发射的FY-3A卫星上搭载了中分辨率光谱成像仪（MERSI）（有一个宽通道长波红外波段）和可见红外辐射计（VIRR）（有与AVHRR类似的一个中红外波段和两个长波红外波段）。2016年发射的FY-4A卫星上搭载了高级静止轨道辐射成像仪（AGRI）（有8个热红外波段）和静止轨道干涉式红外探测仪（GIIRS）（有913个热红外波段），在国际上率先实现了红外高时效对地三维探测。