Sygnatura termiczna (ang. thermal signature; w literaturze dotyczącej systemów obserwacji w podczerwieni także infrared signature, IR signature) – zbiór widmowych (opisujących zależność od długości fali) i przestrzennych (opisujących zależność od położenia) charakterystyk jednej lub kilku wielkości fizycznych opisujących pole cieplne obiektu, czyli przestrzenny rozkład wielkości związanych z jego stanem cieplnym, umożliwiających jego wyróżnienie z tła. W ujęciu stosowanym w optoelektronice i technice wojskowej sygnatura w podczerwieni opisuje sposób, w jaki obiekt jest postrzegany przez sensory podczerwieni.

Sygnatura termiczna nie jest stałą właściwością obiektu. Zależy m.in. od jego kształtu i rozmiarów, temperatury poszczególnych powierzchni, emisyjności materiałów oraz promieniowania zewnętrznych źródeł odbijanego od powierzchni obiektu, w tym promieniowania słonecznego, atmosferycznego i pochodzącego od powierzchni Ziemi. Istotne są również właściwości tła, transmisja atmosferyczna, czyli stopień przepuszczania przez nią promieniowania, oraz radiancja atmosfery, czyli miara promieniowania emitowanego przez atmosferę w danym kierunku, zakres widmowy sensora, odległość i kierunek obserwacji oraz warunki meteorologiczne. W rezultacie sygnatura tego samego obiektu może zmieniać się wraz z porą dnia i roku, pogodą, kierunkiem obserwacji oraz stanem pracy urządzeń będących źródłami ciepła.

W przypadku statków powietrznych na całkowitą sygnaturę w podczerwieni składają się m.in. promieniowanie rozgrzanych elementów zespołu napędowego, dyszy i gazów wylotowych, emisja cieplna powierzchni płatowca oraz promieniowanie otoczenia odbite od jego powierzchni. Z tego względu nie istnieje jedna wielkość fizyczna, która w każdych warunkach jednoznacznie określałaby sygnaturę termiczną obiektu; stosuje się różne sposoby jej ilościowego opisu, m.in. temperaturę, kontrast temperaturowy, intensywność promieniowania oraz kontrastową intensywność promieniowania.

Terminologia i zakres pojęcia Sygnatura termiczna nie jest tożsama z samą temperaturą obiektu. Temperatura jest jedną z wielkości wykorzystywanych do jej charakterystyki, natomiast opis sygnatury może obejmować także temperaturę i radiancję tła, kontrast obiekt–tło, stosunek sygnału do tła, czyli iloraz wartości sygnałów rejestrowanych dla celu i jego tła, geometrię obserwacji, warunki atmosferyczne oraz parametry sensora. Również termogram jest jedynie jednym ze sposobów reprezentacji informacji wykorzystywanej do określania sygnatury; sygnatura może być przedstawiana jako zbiór cech wyznaczonych z takiego obrazu wraz z warunkami, w których został on zarejestrowany.

W literaturze anglojęzycznej dotyczącej wojskowych systemów obserwacyjnych powszechnie stosowane jest określenie infrared signature, definiowane jako sposób, w jaki obiekt jest postrzegany przez sensor podczerwieni. W literaturze poświęconej charakterystyce celów naziemnych występuje także określenie thermal infrared signature, odnoszone do charakterystyki promieniowania cieplnego celu na tle jego otoczenia.

W polskiej normalizacji obronnej zagadnienia pola cieplnego okrętu zostały objęte normą obronną NO-19-A501-7:2011 Pola fizyczne okrętu – Metodyki pomiarów kontrolnych parametrów pól fizycznych okrętu – Część 7: Pole cieplne.

Powstawanie sygnatury termicznej mały|Rozkład promieniowania cieplnego wahadłowca Columbia podczas wejścia w atmosferę w misji STS-3. Pseudokolory przedstawiają różnice temperatury powierzchni

Promieniowanie docierające od obiektu do sensora nie musi pochodzić wyłącznie z jego własnej emisji cieplnej. Każdy obiekt emituje promieniowanie cieplne, a jego powierzchnia może jednocześnie odbijać promieniowanie cieplne pochodzące z otoczenia. Wielkość emisji własnej zależy m.in. od temperatury i emisyjności powierzchni, podczas gdy udział promieniowania odbitego zależy od właściwości powierzchni oraz promieniowania otoczenia.

Na obserwowaną sygnaturę wpływa również atmosfera znajdująca się pomiędzy obiektem a sensorem, która selektywnie pochłania i emituje promieniowanie w podczerwieni. Z tego powodu radiancja rejestrowana przez sensor może różnić się od radiancji opuszczającej powierzchnię celu, a wpływ atmosfery zwiększa się wraz z długością drogi propagacji promieniowania, czyli odległością przebywaną przez nie w atmosferze.

W praktyce wykrywania obiektów istotna jest przede wszystkim różnica między sygnałem pochodzącym od celu a sygnałem jego bezpośredniego tła. Zmiana temperatury lub właściwości tła może zatem zwiększyć albo zmniejszyć wykrywalność tego samego obiektu mimo braku zmian jego konstrukcji.

Zakres widmowy i wpływ atmosfery mały|Transmisja promieniowania przez atmosferę oraz pasma absorpcji jej poszczególnych składników. Absorpcja atmosferyczna wpływa na sygnaturę obiektu rejestrowaną przez odległy sensor podczerwieni

Sygnatura obiektu zależy od zakresu długości fal, w którym pracuje sensor. Atmosfera nie jest jednakowo przepuszczalna dla całego zakresu podczerwieni; zakresy o stosunkowo wysokiej transmisji określa się jako okna atmosferyczne. W obrazowaniu cieplnym szczególne znaczenie mają pasmo średniofalowej podczerwieni MWIR (ang. mid-wave infrared), obejmujące w przybliżeniu 3–5 μm, oraz długofalowej podczerwieni LWIR (ang. long-wave infrared), obejmujące w przybliżeniu 8–14 μm.

Pasmo MWIR jest szczególnie użyteczne przy obserwacji obiektów o wysokiej temperaturze, m.in. rozgrzanych elementów układów napędowych i gazów wylotowych, natomiast LWIR jest dobrze dostosowane do obserwacji obiektów o temperaturach zbliżonych do typowych temperatur środowiska, w tym ludzi i pojazdów. Wybór pasma może w konsekwencji zmieniać zarówno wartość mierzonego kontrastu, jak i możliwość wykrycia celu.

Znaczenie pasma widmowego wynika również z zależności widma promieniowania cieplnego od temperatury opisanej m.in. przez prawo Wiena. Obiekty o wyższej temperaturze mają maksimum emisji przesunięte w stronę krótszych fal, dlatego różne elementy tego samego obiektu mogą mieć odmienne znaczenie dla sygnatury w MWIR i LWIR.

Sposoby ilościowego opisu mały|Celownik termowizyjny AN/VSG-2 czołgu M60 oraz przykładowy obraz uzyskiwany za pomocą jego detektora podczerwieni

Pozorna różnica temperatur Jednym ze sposobów opisu sygnatury jest określenie pozornej różnicy temperatur między obserwowanym obiektem a jego bezpośrednim tłem. Określenie „pozorna” oznacza, że temperatura jest wyznaczana na podstawie promieniowania zarejestrowanego przez sensor, a nie mierzona bezpośrednio na powierzchni obiektu. Wartość temperatury może być wyznaczana na podstawie zmierzonej radiancji, z wykorzystaniem zależności opisujących promieniowanie ciała doskonale czarnego. W praktyce stosuje się m.in. średnią temperaturę obiektu, średnią temperaturę tła i różnicę tych wartości, czyli kontrast temperaturowy.

Metoda ta ma ograniczenia wynikające m.in. z niejednorodnego rozkładu temperatury i radiancji na powierzchni celu i tła, rozdzielczości przestrzennej sensora oraz wpływu atmosfery. Otrzymana wartość zależy również od odległości, kierunku obserwacji i warunków pomiaru.

Kontrastowa intensywność promieniowania Innym sposobem ilościowego określania sygnatury jest kontrastowa intensywność promieniowania (ang. contrast radiant intensity, CRI). Wielkość ta opisuje różnicę intensywności promieniowania celu i odpowiadającego mu fragmentu tła, z uwzględnieniem powierzchni obserwowanego celu.

CRI umożliwia ilościowe określenie kontrastu radiometrycznego celu względem otoczenia, czyli różnicy między promieniowaniem rejestrowanym dla celu i jego tła. W porównaniu z samym kontrastem temperaturowym uwzględnia ilość energii promienistej docierającej do sensora, a zastosowanie różnicy między celem i tłem ogranicza wpływ części promieniowania emitowanego przez atmosferę na drodze obserwacji. Także ta wielkość zależy m.in. od zakresu widmowego pomiaru, transmisji atmosferycznej, emisyjności, odległości, powierzchni celu oraz warunków meteorologicznych.

Modelowanie i wyznaczanie sygnatury Sygnaturę termiczną można wyznaczać eksperymentalnie za pomocą pomiarów prowadzonych przy użyciu kamer termowizyjnych i innych sensorów podczerwieni albo przewidywać ją przy użyciu modeli numerycznych. Modelowanie jest wykorzystywane m.in. na etapie projektowania pojazdów i systemów o obniżonej wykrywalności, ponieważ umożliwia ocenę wielu wariantów konstrukcji przed wykonaniem prototypu.

Charakterystyka sygnatury wymaga uwzględnienia jednocześnie właściwości celu i tła. Jacobs wyróżnia w procesie charakterystyki termicznej celów naziemnych m.in. zagadnienia meteorologiczne i atmosferyczne, kalibrację sensorów, pomiary sygnatur oraz analizę danych, a osobno zagadnienie zarządzania sygnaturą, czyli kontrolowania cech wpływających na wykrywalność celu. Oznacza to, że wynik pomiaru nie opisuje wyłącznie konstrukcyjnych właściwości celu, lecz stan celu i środowiska w konkretnych warunkach obserwacji.

Modele predykcyjne wykorzystują dane opisujące geometrię obiektu, temperaturę i emisyjność jego powierzchni, właściwości materiałów, odbicia promieniowania od powierzchni, pracę źródeł ciepła oraz warunki otoczenia. Osobnym elementem obliczeń może być modelowanie transmisji i własnego promieniowania atmosfery w określonych pasmach podczerwieni. W specjalistycznych systemach modelowania stosuje się m.in. model atmosferyczny LOWTRAN, służący do obliczania transmisji i radiancji atmosferycznej, oraz , a także programy przeznaczone do modelowania sygnatur celów, takie jak SPIRITS, NIRATAM czy MIRSAT.

W przypadku bardziej złożonych obiektów dokładne zweryfikowanie modeli numerycznych jest trudne. Niewielkie zmiany parametrów wejściowych, zwłaszcza warunków atmosferycznych, mogą powodować istotne zmiany przewidywanej sygnatury, dlatego modele są weryfikowane za pomocą pomiarów eksperymentalnych.

Milewski i Praczyk zaproponowali dla jednostek pływających zapis sygnatury obejmujący wektor cech wyznaczanych z obrazu termicznego, m.in. stosunek sygnału obiektu do sygnału tła, maksymalną i średnią temperaturę obiektu, średnią temperaturę tła oraz średni kontrast temperaturowy. Pełny opis uzupełniano o warunki pomiaru, takie jak temperatura otoczenia, wiatr, kąt i wysokość obserwacji, oraz dostępne dane identyfikacyjne obiektu.

Sygnatury różnych rodzajów obiektów Jednostki pływające W zastosowaniach morskich systemy termowizyjne mogą być wykorzystywane zarówno do poszukiwania, jak i identyfikacji jednostek pływających. Milewski i Praczyk wskazują, że realizacja takich zadań może wymagać wcześniejszego zgromadzenia sygnatur termicznych jednostek wraz z informacjami o warunkach ich pomiaru. Opis może obejmować m.in. maksymalną i średnią temperaturę celu, temperaturę tła, kontrast temperaturowy oraz stosunek sygnału obiektu do sygnału tła, a także kąt i wysokość obserwacji oraz parametry meteorologiczne.

Pojazdy lądowe mały|Czołgi M1 Abrams obserwowane za pomocą systemu termowizyjnego z odległości około 320 m

W przypadku pojazdów lądowych na sygnaturę termiczną wpływają zarówno właściwości materiałowe i własna emisja cieplna pojazdu, jak i warunki pogodowe oraz promieniowanie otoczenia odbijane od jego powierzchni. Rozkład temperatury nie jest przy tym jednorodny; szczególnie wyraźne elementy sygnatury mogą powstawać w miejscach związanych z układem napędowym i wydechowym.

W badaniach austriackiego Bundesministerium für Landesverteidigung porównywano bojowe wozy piechoty Ulan wyposażone i niewyposażone w mobilny system maskowania multispektralnego. System ograniczał widoczność termiczną pojazdu, jednak mimo jego zastosowania nadal wyraźna pozostawała sygnatura w rejonie układu wydechowego. Pokazuje to, że redukcja sygnatury całego obiektu wymaga ograniczania charakterystycznych lokalnych źródeł kontrastu, a nie wyłącznie zmiany właściwości większości powierzchni pojazdu.

Obiekty znajdujące się pod powierzchnią gruntu