混沌系统的初值敏感性、全局有界性、内在随机性和高复杂性等特性都与密码学的基本原则密切相关,这使得混沌加密被广泛应用在信息安全领域。然而,经典混沌系统由于有限计算精度和其自身结构所限,混沌序列元素间会出现一定的相关性和混沌动力学特性退化的现象,这些都将使混沌序列的复杂度降低,给信息安全带来一定隐患。因此,分析混沌序列复杂度特征,深入研究混沌序列提高熵值的方法,在推进混沌序列在工程实际应用具有重要意义。本文围绕上述方面做了以下四个方面的工作:首先,在充分研究复杂度度量算法样本熵、谱熵和模糊熵算法的基础上,利用这些算法对Logistic映射、Tent映射和Hénon映射三种经典混沌映射在行为复杂度和结构复杂度进行了测试。分析对比了系统参数、初始值、时间序列长度等基本参数对混沌序列复杂度的影响,以及三种混沌系统的熵值分布特性,为后续混沌系统的应用研究提供参考。其次,针对经典混沌映射在熵值分布上存在的规律性,分析多尺度熵算法下Logistic映射的熵值分布的特性,基于此,提出一种基于多尺度熵算法的方差均值系统参数区间估值方法。然后应用该方法得出Logistic和Tent混沌序列的系统参数区间估值表。由混沌复杂度算法得出,某些经典低维混沌序列的系统参数是可预测的。再次,针对混沌序列参数的可预测性和混沌序列有限计算精度造成的序列相关性增加的现象,提出了一种基于相空间重构技术及PCA算法的混沌序列复杂度提高算法。其中相空间重构技术中延迟时间和嵌入维数分别采用互信息函数法和最邻近点法的改进算法。通过对Logistic序列和Hénon序列进行实际测试,两种混沌序列的各项混沌特性都有很大提高。最后,为了保留经典混沌系统的优势和提高低维混沌时间序列的复杂性的双重目的,提出一种结合了Hénon映射和分段映射的三维离散混沌系统3D-PHM,通过测试,表明该系统的各项混沌特性比原混沌系统都要好。然后,针对该三维混沌映射,提出了轮数可控的彩色图像加密算法。通过对图像加密算法进行测试及统计分析,表明该加密算法的各项性能优良。