随着计算机技术的快速发展,图像加解密技术已广泛应用于人们的日常生活中。传统的基于混沌的图像加解密系统的安全性完全取决于混沌系统的性能,低维混沌系统又容易被选择明文、已知明文等常见的攻击技术破解,而高维的混沌系统又存在诸如实现成本高,运行速率低等缺点,无法满足现代通信系统对高速高带宽的安全需求。基于半导体激光器的混沌系统因为其高速、高带宽等优点得到了广泛的研究。半导体环形激光器作为一种新颖的器件,其拥有普通半导体的众多优点,易集成于芯片,且因为其环形的内腔结构使其可以同时存在两种光的传播模式,可用于并行数据处理。因此,本文将半导体环形激光器混沌系统应用于图像加解密方案中用于提高算法的安全性和加解密效率,并通过数值仿真验证了设计方案的可行性,主要研究内容如下:1.提出互耦合的半导体环形激光器混沌系统,并给出了模型结构和速率方程,通过提取自相关函数的峰值分析了注入强度、频率失谐和线宽增强因子等参数对时延特征的影响,给出了可以在可控参数的更大动态可调范围内同时获得4路高速高带宽且时延特征被有效隐藏的混沌信号的方法。2.提出了基于半导体环形激光器混沌同步系统的真随机数发生器的设计方案,通过有效结合延迟异或、降采样和缓存机制等多种后处理方式显著提高了生成随机数序列的随机性。并提出基于主从结构中从激光器之间高质量的混沌同步实现同步真随机数的产生,仿真中获得了实时速率为4Gb/s的同步真随机比特序列,且能全部通过NIST测试。3.首次提出将真随机数序列用于图像加解密系统中,作为密钥进行加密,使得图像加解密算法具有近似“一次一密”的安全性。仿真中,通过使用SHA-256哈希算法得到与明文相关的密钥用于生成预处理阶段混沌系统的初始值和参数,在预处理阶段,使用非线性的bit置乱操作降低明文图像的空间分布和像素之间的局部相关性;置乱和发散阶段分别通过简单的移位和异或操作实现。最后,对所提出图像加密算法进行安全性和计算复杂度分析证明方案的可行性。