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非线性科学是研究非线性现象共性的基础科学,其中混沌密码学是非线性科学与密码学交叉融合的一门新的科学。本文采用理论分析与数值模拟相结合的方法,研究了混沌理论在一次一密图像加密及保密通信系统中的应用。全文的主要工作如下：(1)针对现有图像加密算法中存在的问题,如密钥缺少自动生成和变化机制、仅依靠加密轮数增强算法的安全性等,提出了由散列值到一次性密钥的转换算法,目的是在减少加密轮数的同时增强算法的安全性。利用离散混沌映射及连续混沌系统,设计了一次一密的彩色图像单幅加密和批量加密方案。其原理是把来自真随机信息源采样图像或者明文图像的散列值,生成混沌系统新的初值和参数作为一次性密钥,经迭代后生成一次性密钥流加密图像。其中利用了两个混沌映射的耦合,通过初值变换减少迭代次数,避免了因浮点数有限精度而导致的混沌短周期效应。(2)分析并改进了一种比特级灰度图像加密算法,利用分段线性混沌映射取代Arnold猫映射,设计了比特级快速整体置乱算法,能够同时混淆和扩散任意尺寸的图像,克服了Arnold猫映射只能置乱等宽高图像的弱点。利用Chen系统取代Logistic映射,克服了Logistic映射在控制参数的某些区间内存在周期窗口的弱点。生成的三个伪随机序列,经NIST统计测试表明具有良好的伪随机,分别用来加密红、绿和蓝三分量。(3)设计了基于DNA密码学的一次一密灰度图像加密方案,利用了DNA编码和DNA互补规则。每次加密时利用明文图像的散列值动态生成混沌映射的初值和参数,即使在不改变公共初值的情况下,也能实现初值和参数的自动变化。加密算法的设计是,先把原始图像整体混淆,然后每个像素被编码成四个碱基,利用DNA互补规则和混沌映射生成的伪随机转换次数,将每个碱基转换成对应的互补配对碱基,得到密文图像。统计和安全性分析验证了该方案的有效性。(4)提出了基于Choquet模糊积分和超混沌Qi系统的彩色图像加密方案,算法核心是利用Choquet模糊积分作为伪随机数生成器。明文图像的散列值被转换成超混沌Qi系统的初值,迭代Qi系统生成Choquet模糊积分初始输入和隶属度,将积分输出的伪随机序列加密像素,实验结果验证了该方案的有效性。(5)提出了一种基于超混沌的异步抗噪声的数字保密通信系统,采用动态时滞和状态变量切换增强了安全性。预处理后的二进制数字信号加载到调幅后的混沌信号中,经添加高斯白噪声后发送出去。该系统对信道噪声具有较强的抗干扰能力,只要噪声幅值区间可以检测到,通过噪声系数和混沌信号增益的动态调整,即可完整恢复出数字信号。系统仿真验证了该数字保密通信系统的有效性。本文得到国家自然科学基金(61370145、61173183和60973152)、高等学校博士学科点专项科研基金(20070141014)、辽宁省高等学校优秀科技人才支持计划(LR2012003)、辽宁省自然科学基金(20082165)和中央高校基本科研基金(DUT12JB06)资助。