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在空间通信中，信号面临远距离传输和高动态相对运动，其中，远距离传输带来很低信噪比（SNR, signal-to-noise ratio），而高动态相对运动则引起载波高动态多普勒频偏。为解决低信噪比问题，传统捕获方法需要长时间累积很多接收信号。但是，在长时间累积过程中，高动态多普勒频偏会导致严重的能量扩散问题。针对上述问题，提出了一种两阶段稀疏（TSS, two-stage-sparse）算法来捕获载波多普勒频偏。该算法首先利用粗捕获结果构造粗稀疏搜索范围，然后选择若干个较大元素来构建精稀疏搜索范围，最后搜索最大元素作为捕获结果。由于稀疏范围仅覆盖很窄的频率区间，该算法能够滤除更多的噪声干扰，从而辅助信号元素成为最大元素。理论分析和仿真结果也表明，所提TSS算法能够显著提高多普勒频偏的捕获概率。