Master's Thesis

Radar-Based Vital Signs Sensing in Vehicles

Final Thesis 27.86 MB Appendix 256.5 kB

Author of thesis: Ing. Martin Svoboda

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Soběslav Valach

Reviewer: doc. Ing. Václav Kaczmarczyk, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis investigates the feasibility of measuring human vital signs in a vehicle interior using a 60 GHz FMCW MIMO radar. The theoretical part describes the operating principles of FMCW radars, range and phase measurement, angular processing with antenna arrays, and the limits imposed by chirp design. It also summarizes relevant literature on radar-based vital-sign sensing, with emphasis on in-vehicle use, where body motion, vehicle vibrations, clutter, multipath propagation, and the overlap between breathing and heart-rate harmonics make the task difficult.

The practical part describes the construction of a radar measurement system based on the TI AWR6843ISK and DCA1000EVM boards, including radar attachment, reference sensor selection, radar data processing, target tracking, and exploratory visualization tools. Several methods for vital-sign extraction were tested, including STFT analysis, band-pass filtering with Hilbert-transform-based instantaneous frequency estimation, correlation-based approaches, and a sliding-window FFT method. Heart-rate extraction proved unreliable in the measured data, mainly because the HR signal was weak and often overlapped with breathing harmonics. The work therefore focuses on breathing-rate-related features as a more robust indicator of human presence.

The final evaluation compares human target tracks with strong inanimate reference tracks in several parked and driving scenarios. The results show that breathing-related amplitude, detrended phase, and non-zero Doppler-bin power can provide useful separation between humans and inanimate objects, with average SNR values generally above 20 dB. The work does not yet provide a finished production-ready vital-sign monitor, but it establishes a working radar processing chain, identifies the main practical limitations, and gives a basis for future development of in-vehicle radar-based occupancy and passenger-state monitoring.

Keywords:

FMCW radar, MIMO System, vital signs monitoring

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student odprezentoval svou práci a zodpověděl otázky oponenta. Proběhla diskuse ohledně zohlednění variability srdečního cyklu při analýze a ohledně použitých metod detekce. Student komisí vyzdvižené nedostatky práce u obhajoby nezastíral, stejně jako v práci. Komise se ptala na porovnání s referenčním sensorem, které však provedeno v práci s relevantním snímačem nebylo.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Cybernetics, Control and Measurements (MPC-KAM)

Composition of Committee

prof. Ing. Michal Prauzek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Jakub Arm, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Čala, Ph.D. (člen)
Ing. Jaroslav Lepka, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Radomil Matoušek, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Pohl, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Soběslav Valach

Diplomová práce na téma „Radar-Based Vital Signs Sensing in Vehicles“ se zabývá možnostmi bezkontaktního sledování vitálních funkcí člověka v interiéru vozidla pomocí FMCW MIMO radarového senzoru pracujícího v pásmu 60 GHz. Cílem práce bylo prostudovat problematiku radarového snímání vitálních funkcí, navrhnout a realizovat měřicí systém, vytvořit algoritmy pro zpracování radarových dat a ověřit jejich funkčnost v reálných podmínkách vozidla.

Práce po odborné stránce patří k náročnějším. Vyžadovala studium radarové techniky, metod digitálního zpracování signálů, problematiky FMCW a MIMO radarů, orientaci v oblasti sledování vitálních funkcí člověka a schopnost navrhovat a implementovat vlastní algoritmy pro zpracování rozsáhlých souborů experimentálních dat. Součástí řešení byla rovněž realizace měřicího pracoviště, integrace radarového senzoru do vozidla a vyhodnocení výsledků za různých provozních podmínek.

Během řešení diplomové práce student pracoval aktivně a zodpovědně. Problematiku průběžně konzultoval, jednotlivé úkoly řešil samostatně a dokázal reagovat na nově vzniklé technické problémy. Oceňuji zejména jeho systematický přístup k experimentům, snahu o ověření navržených metod v reálných podmínkách a schopnost realisticky interpretovat dosažené výsledky včetně identifikace limitů navrženého řešení. Práci si časově rozvrhl přiměřeně.

Předložená diplomová práce splňuje zadání a prokazuje dobrou orientaci diplomanta v řešené problematice. Z pohledu vedoucího hodnotím práci kladně a doporučuji ji k obhajobě. Points proposed by supervisor: 94

Grade proposed by supervisor: A

Předložená diplomová práce Bc. Martina Svobody se zabývá možností radarového měření vitálních funkcí člověka ve vozidle pomocí 60GHz FMCW MIMO radaru. Autor v práci zpracoval teoretický úvod k radarům, navrhl a realizoval měřicí sestavu, implementoval zpracování radarových dat a ověřil několik metod extrakce příznaků souvisejících s dýcháním a srdeční aktivitou.
Za hlavní klady práce považuji volbu aktuálního a technicky náročného tématu, vybudování funkční experimentální sestavy, realizaci celého zpracovatelského řetězce a také poctivé pojmenování limitů navrženého řešení. Pozitivně hodnotím i to, že autor nezamlčuje neúspěšné části návrhu a otevřeně uvádí, že měření srdeční frekvence se v předložené podobě neukázalo jako dostatečně spolehlivé.
Práce má však i několik podstatných nedostatků. Po formální stránce působí místy nedokončeně a jazykově nevyrovnaně; v textu zůstaly pracovní poznámky, neformální formulace a stylisticky slabší angličtina. Po odborné stránce se původní cíl práce během řešení posunul od měření vitálních funkcí k detekci přítomnosti člověka pomocí příznaků souvisejících s dýcháním, přičemž extrakce srdeční frekvence se ukázala jako nespolehlivá a pro dechovou frekvenci chybí kvalitní referenční měření umožňující přesné vyhodnocení chyby.
Student tedy prokazatelně navrhl a realizoval funkční experimentální radarový řetězec, provedl měření a porovnal lidské a neživé cíle v několika scénářích. Nepodařilo se však naplnit ambicióznější cíl spolehlivého měření vitálních funkcí v pohybujícím se vozidle v plném rozsahu, zejména v oblasti srdeční frekvence a automatického, robustního sledování cílů.
I přes uvedené výtky je z práce patrné značné množství odvedené samostatné práce i schopnost řešit obtížný experimentální problém. Práci proto doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení A / 90 bodů. Topics for thesis defence:
  1. Jak byste navrhl referenční měření a experimentální metodiku tak, aby bylo možné kvantitativně vyhodnotit přesnost odhadu dechové i srdeční frekvence Vašeho systému ve stojícím i jedoucím vozidle?
Points proposed by reviewer: 90

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová