混沌系统具有多种适用于密码学的特性,因此被普遍应用于信息安全和密码保护领域。混沌序列的初值敏感性、伪随机性和参数敏感性等性质保证了将混沌系统应用于加密领域时,算法有着优秀的抵抗暴力破解能力和充足的密钥空间。此外,伪随机性越强的混沌序列,其抵抗截获和耐干扰能力越强,加密算法的安全性越强。时空混沌系统是随时间和空间同时变化的,因此在相同时间内生成的伪随机序列更多且比低维系统具有更好的混沌性。本文从时空混沌理论出发,对时空混沌系统进行了深入研究并将其应用于图像加密算法中,针对混沌系统的建立及加密算法的设计完成了以下研究工作。（1）将动态耦合参数引入混合时空混沌系统,即采用动态耦合方式替换原有的静态耦合方式,建立了基于动态耦合参数的线性和非线性混合耦合映射格子时空混沌系统（Logistic-dynamic mixed linear-nonlinear coupled map lattices,LDMLNCML）。通过分岔图、参数对百分比、熵密度和熵广度实验,验证了采用动态耦合方式较静态耦合方式的系统具有更强的混沌性,使系统中近所有格子都呈现出平稳的混沌状态。此外,基于LDMLNCML系统提出一种新的采用随机扩散的高灵敏度图像加密算法。该算法采用随机扩散策略保证了扩散行为的隐蔽性,极大的提高了算法的安全性。（2）提出了一种基于并行置乱扩散策略的图像加密算法。该算法在置乱和扩散阶段均采用并行方式。算法中使用子密钥交叉融合方法,确保不同轮次加密的密钥空间大且安全性高,解决了密钥传输的安全性问题。该算法可以抵抗常见的密码学攻击且适用于彩色图像加密。（3）在分析了由Zhang改进后的图像加密算法,发现该算法存在的安全漏洞,对该算法进行了破解并给出更加完善的加密方案。新加密方案能成功弥补原算法存在的安全漏洞,实验验证了本算法的安全性。上述工作针对传统混沌加密算法安全性低、加密效率低、密钥传输安全性差、密码系统抵抗差分攻击能力弱的缺陷提出了新的图像加密算法,针对混合时空混沌系统的缺陷进行改进并建立新的具有高效率的时空混沌系统。此外,本文对经典加密算法的安全漏洞进行了破解并给出了改进方案,既保证了图像的安全传输,也为混沌加密算法的设计及安全性分析提供了新思想。