自从上个世纪80年代后期英国数学家Matthews介绍了“混沌密码”的概念后,许多研究已经证实,混沌技术在网络空间安全方面具有巨大的潜力。由于混沌系统的初值敏感性、拓扑传递性、非周期性和轨道稠密等良好统计特性可以有效地提高加密系统的性能。因此,基于混沌系统的研究受到了许多研究者的关注,尤其在图像加密方面与混沌系统的结合受到众多研究者的青睐。然而,现有的许多混沌系统参数空间相对狭窄,不能生成随机性强和均匀分布的序列,这可能会降低密码系统的可靠性。为此,本文构建了具有良好伪随机特性的新型混沌系统模型,并基于该混沌模型设计了一个新的图像加密算法。首先,本文利用正弦映射的泰勒展开式近似推导出了一维正弦级联混沌系统的周期分叉点,并指出级联可以增加混沌系统的不动点数量,而不动点数量的增加是导致混沌系统变得异常复杂的内在原因。系统不动点数量越多,系统的复杂性越高;反之,不动点数量越少,系统的复杂性越低。而后,利用Lyapunov指数、信息熵、样本熵、谱熵等方法,对一维正弦级联混沌系统进行了动态性能研究。其次,本文提出了一种能产生极大Lyapunov指数（LE＞60）的新型非线性动力学系统框架,即一维反正弦混沌映射（one-dimensional arcsine chaotic map,1-DACM）系统。该系统采用反正弦函数和级联的方法产生更为复杂的吸引子结构,使系统的内在复杂性得到大幅度提升。同时,以反正弦函数作为非线性反馈函数对级联混沌系统进行相空间结构扰动,从而使系统的输出状态值均匀分布在整个相空间内。本论文主要讨论了采用该结构的三种非线性动力学系统特性。性能分析表明,1-DACM系统生成的混沌时间序列在保持混沌性的基础上,具有良好的非周期性和均匀分布特性,符合密码系统的高要求。最后,本文以所提出的混沌系统为核心,构建了一种以位置置乱、循环像素编码、像素扩散和N重循环结构为框架的图像加密算法。该加密算法的密钥结构与明文有着密切联系,而后再通过循环像素编码建立起每一个像素之间的关系,因此该加密算法具有极强的灵敏度和优秀的抗差分攻击能力。通过大量的实验验证了加密方案的有效性和可行性,因而该加密方案具有良好的应用前景。