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混沌密码学是非线性科学与密码学交叉融合的一门新科学。时空混沌系统已经被发现具有很多适合密码学的特性。因此，对时空混沌系统及其密码学应用的研究具有理论意义和应用价值。本文采用理论分析和数值计算相结合的方法，对时空混纯模型及其密码系统应用、混沌密码分析、混沌保密通信进行了深入研究。主要工作包括：(1)提出了一种简单的空间非相邻时空混沌模型，即釆用Anrold猫映射来替换空间相邻賴合方式，得到了空间Arnold映射稱合时空混纯系统（Arnold Coupled Logistic MapLattice, ACLML)。经实验对比，ACLML模型相对于空间相邻耦合的系统具有很多新特性，如：周期窗口少、空间格点间混沌序列的互信息量小、混沌状态的参数范围大和混沌状态在空间分布广。基于ACLML模型，设计了图像加密算法。在空间层面，推广ACLML模型，得到了具有一定普适性的时空混沌模型，即空间线性和空间非线性混合稱合时空混纯系统（Mixed Linear-Nonlinear Coupled Logistic Map Lattice，MLNCML)。实验表明MLNCML模型仍然具有这些新特性，如：周期窗口少、混沌状态的参数范围大和混沌状态在空间分布广的特点。MLNCML模型的提出统一了空间相邻和空间非线性两种耦合方式，丰富了非线性混沌系统理论。在应用层面，基于MLNCML模型，设计了一种新的图像加密算法。这种算法具有密钥空间大、密钥敏感，抵御常见攻击方法的优点。该算法的提出和安全性验证说明了MLNCML模型适合混沌加密。(2)分析了比特级置乱混沌图像加密算法的安全性，发现了该算法的漏洞，并给出针对该算法的破解步骤。通过破解该算法，找到了利用Anrold混沌映射置乱和Logistic混纯映射加密的缺陷，给出了避免这些缺陷的设计方法。提出的改进算法使得原算法更加完善。(3)在参数调制的混沌同步系统的成果基础上，引入独立矢量方法，设计了抗噪声的保密通信方案。实验结果表明：利用独立矢量方法和梯度算法能有效的过滤了高斯白噪声，实现模拟信号和数字信号的安全传输。